强磁场对Al/Cr0.5MnFe0.5NiCu1.4体系液固扩散动力学的影响

《ACTA MATERIALIA》：The effect of high magnetic field on Al/Cr0.5MnFe0.5NiCu1.4 liquid-solid diffusion kinetics

　　

摘要

在弱对流条件下，利用液固扩散对研究了Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4、Al/Cu以及Al/Ni体系中的液固扩散过程。系统研究了这些扩散对的微观结构以及强磁场对扩散行为的影响。

在Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4体系中，不同组分的扩散行为会随着磁场强度的变化而出现显著差异。Mn和Cr的扩散速率在同一磁场范围内呈非单调变化，在3 T时达到最大值；而Fe、Ni和Cu的扩散速率则随磁场增强而单调上升。分析表明，在不同磁场作用下，Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4固液界面处的分配系数k会直接影响整体溶质扩散能力，这一规律在Al/Cu和Al/Ni体系中同样适用。此外，还分析了扩散过程和凝固过程中扩散对中发生的相变现象，为设计性能更优的多组分合金体系提供了理论和实验依据。通过引入磁偶极相互作用机制，本研究阐明了高磁场下不同组分所受磁力的差异，以及这些力对扩散速率的影响。

引言

为满足航空航天、海洋工程及先进制造业中对轻量化设计的日益需求，将低密度与高强度的不同合金进行复合成为一种重要策略。高熵合金最早由Cantor等人以及Yeh等人在2004年提出，代表了冶金学领域的新的发展理念[1,2]。高熵合金是由多种组分以等摩尔或近等摩尔比例组成的多主元合金。与传统合金相比，它具有四大核心特性：高熵效应、严重晶格畸变效应、混合效应以及缓慢扩散效应[3]。其中，由于无序化学环境中的复杂势能分布而产生的缓慢扩散效应[4]，对于保证材料在高温下的稳定性及抗蠕变性能至关重要。具体而言，CrMnFeNiCu体系是一种成本相对较低的高熵合金，它是通过用Cu替代CoCrFeMnNi中的昂贵元素Co而制成的。这种合金不仅具备优异的机械性能，还具有良好的耐腐蚀性。其较高的铜含量有助于提升抗生物污损能力，因此在海洋应用方面具有潜力。Hui等人则开发了一种NiMnFe_0.5Cr_0.5Al_0.2Cu_1.2高熵合金。与传统的海洋用镍铝青铜相比，该合金的屈服强度和抗拉强度均有显著提升，且腐蚀电流密度低一个数量级。同时，它还具有较高的铜离子释放率，从而实现了机械性能与防腐性能之间的优异协同效果[5]。

在海洋结构中，将铝合金与高强度的不同金属（如钢或高熵合金）连接起来对于减轻重量至关重要。然而，在将铝合金与这类高强度金属连接时，界面处容易形成坚硬且脆性的金属间化合物。较厚的金属间化合物层会引发微裂纹的产生和局部腐蚀，进而大幅降低接合强度。此外，铝和钢在物理性质上存在显著差异，比如热膨胀系数和电极电位不同，这些差异还会导致焊接残余应力以及电偶腐蚀现象。因此，在铝钢焊接结构中，焊缝往往是首先出现故障的部位。

高熵合金的多主元效应进一步增加了问题的复杂性：虽然金属间化合物通常保持固定的铝与金属元素的化学计量比，但金属元素在各自位置上的比例却会随着局部扩散条件的变化而发生显著改变。即便在相同的热处理条件下，同一体系中也可能出现具有相同晶体结构但金属元素比例不同的金属间化合物层[6]。在固定温度和压力条件下，n组分合金中的两相平衡自由度为n-2。在多组分体系中，即便在等温等压条件下，两相之间的分界线也无法唯一确定。因此，需要通过n-2个通量平衡方程以及n个局部平衡条件来求解2(n-1)种可能的界面成分[7]。随着组分数量的增加，平衡成分的预测变得愈发复杂。

现有的研究试图通过引入过渡层或调整相关参数来优化这类界面。例如，Zheng等人通过真空烧结在钢表面制备了多孔的FeCoCrNi高熵合金涂层，将其作为铝与钢进行不同材料激光连接的过渡层。这种方法使接头的断裂载荷提升了26.5%，位移提升了101.8%，而且断裂模式也从脆性转变为延性[8]。Du等人则系统地优化了激光偏移焊接的参数，包括功率、速度以及偏移量，从而使TWIP钢与5083铝的对接接头抗拉强度提升到了155 MPa[9]。不过，同时调整焊接参数会改变熔池的热循环条件，很容易在扩散层结构、金属间化合物类型、热应力以及焊缝质量等因素之间产生权衡。水冷辅助摩擦搅拌焊接能够有效减少热量输入并抑制金属间化合物的生长，但往往会影响材料的流动性，从而导致缺陷的产生。激光辅助摩擦搅拌焊接则可以通过预热材料来提高其流动性，但存在热量输入过大的风险，这可能会促使金属间化合物变厚。此外，通常需要通过大量的试错实验才能优化各项参数，以实现这些不同因素之间的平衡。

强磁场为解决这一耦合问题提供了一种很有前景的非接触式解决方案。作为一种物理场，强磁场能够影响合金中溶质的分布与迁移，调控材料的微观结构与晶粒取向[10,11]，从而在不引入污染的情况下提升材料的物理与机械性能[12,13]。通过控制强磁场对溶质迁移的影响，不仅可以制备出功能梯度材料，还能有效避免溶质偏聚现象的发生[14]。当材料置于强磁场中时，会受到洛伦兹力、磁化力以及磁扭矩的作用。强磁场可以通过磁化作用产生额外的磁自由能，而吉布斯自由能的变化又会影响合金中的相平衡状态[15]。此外，强磁场还可能通过磁塑效应影响材料中的位错密度[16]。Zhang等人在磁场环境下制备了双相结构的FeCoNiCuAl高熵合金[17]。研究发现，强磁场能够使枝晶变粗，减少溶质偏聚，并改变基体晶体的织构。面心立方相和体心立方相的硬度分别提升了29.86%和28.33%。Lin等人在磁场中以不同的冷却速率对含20 wt.%铜的铝合金进行凝固处理，发现液固界面附近熔体中产生的电磁对流能够细化合金的微观结构[18]。他们还提出了“磁诱导成核自由区”的概念，用以解释磁场带来的晶粒细化效应。Li等人发现，在交变磁场作用下，镍铝合金中的位错密度会增加，同时其扩散系数也会上升[19]。这表明交变磁场可能通过磁塑效应增加位错密度，从而为溶质提供更快的扩散路径。在外加强磁场的作用下，我们可以更好地理解高熵合金中液固扩散的机制，调控扩散层的形成，进而优化这类合金的微观结构与机械性能。具体而言，强磁场能够控制金属间化合物层的厚度，还能差异化地调节多组分合金中不同元素的扩散速率，从而实现对扩散层结构的精准调控。

综上所述，施加外场强磁场可以为定向控制原子扩散行为提供一个新的独立调控维度，且无需改变热循环条件，从而在一定程度上将扩散动力学与热应力分离开来。本研究采用了毛细管-金属块扩散对，以便在弱自然对流条件下对Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4、Al/Cu以及Al/Ni体系中的液固扩散过程进行定量研究。我们旨在通过比较Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4与Al/M（M为Cu或Ni）扩散对中的液固扩散情况，弄清高磁场作用下Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4中不同元素的迁移特性。本研究还探讨了高磁场如何控制金属间化合物层的厚度，以及如何差异化地调节多组分合金中各元素的扩散速率。这些研究结果为先进制造领域中高熵合金接头的微观结构控制提供了重要的实验与理论参考。

章节要点

实验部分

本研究使用的原材料包括高纯度铝丝（直径1.0毫米，纯度99.99%）、高纯度铜（纯度99.99%）、纯镍（纯度99.9%），以及高熵合金Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4。这种高熵合金由北京燕邦新材料科技有限公司提供，其余材料则由北京嘉明博业有色金属有限公司提供。

高熵合金块通过电火花线切割机（DK7735）被切割成直径28毫米、厚度2毫米的圆盘状，随后对这些圆盘的表面进行了打磨处理

实验结果

在扩散过程中，一部分液态铝会沿着晶界渗透到固态部分中。当达到饱和固溶度时，晶界附近就会发生溶解现象，从而使液固界面向固态内部延伸[20]。与此同时，溶质会从Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4中向液态铝中单向扩散。图2展示了Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4扩散对中铝丝内部的成分分布曲线以及扫描电子显微镜下的形态特征

强磁场对扩散动力学的影响

随着磁场强度的增加，Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4扩散对中Fe、Ni和Cu这三种元素的扩散速率会呈单调上升趋势，而Cr和Mn这两种元素的扩散速率则在3 T时达到峰值（见图3(c)）。这一现象表明，磁场对不同组分扩散过程的影响存在显著差异。强磁场作用于原子或离子时所产生的力主要包括洛伦兹力、磁化力以及磁扭矩。如果

结论

本研究探讨了强磁场对Al/Cr_0.5MnFe_0.5NiCu_1.4、Al/Cu以及Al/Ni体系中液固扩散过程的影响。在强磁场的作用下，这些扩散对中不同组分的扩散速率出现了显著变化，它们的扩散行为也呈现出不同的特点。主要结论如下：

• 1.
  直径为1毫米的毛细管会在扩散对中产生较弱的对流效应，而分配

作者贡献说明

李佳昌：负责原文撰写——初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理以及概念构思工作。孙晨毅：负责方法设计、实验研究以及正式分析工作。王伟民：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督以及方法设计工作。白彦文：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调以及项目管理工作，同时还负责资金筹集工作。边秀芳：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调以及资金筹集工作。

Jiachang Li|Chenyi Sun|Weimin Wang|Yanwen Bai|Xiufang Bian